缝纫机用无刷直流电动机及其控制系统的研制
周贤韬 徐 卫 朱世益 麻志德(芜湖电机厂241000)
摘 要 介绍了工业缝纫机用永磁无刷直流电动机及其自动控制系统的研制及特点，重点分析了产品的电磁设计和控制系统设计。
叙 词 永磁电机无刷直流电动机缝纫机控制系统设计
1 引 言
随着经济的发展，适应高档服装生产的高速工业缝纫机用永磁无刷直流电动机及其三自动控制系统开始大量进入我国市场。这种产品功能齐全、性能优越，深受服装工业界的欢迎。为追踪国际先进水平，提高产品在国际市场的竞争能力，国内一些高校和大型企业相继开展这类产品的研制工作。我厂同合肥工业大学合作研制出SF-13 - 550型永磁无刷直流工缝电动机及其控制系统，其产品的主要技术指标及优点为：功率550w，额定转速3 600～4 000r／min，调速比1 t 100，正反转，快速起动和制动(lOOms)，定位精度高，过载能力大，噪声、振动低。同时具有实现工业缝纫机的自动切线、自动返缝、自动挑线的三自动控制功能。
2 电磁设计
稀土永磁无刷直流电机是由同步电动机、电子逆变电路和位置传感器组成。
2.1基本工作原理
稀土永磁无刷直流电机的基本工作原理是借助于反映转子位置的传感器信号，遁过驱动电路，驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定顺序馈电，从而在气隙中产生步进旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断输出信号，从而改变电枢绕组的通电状态，实现能量转换。
2.2设计方法
设计稀土永磁无刷直流电动机和普通直流电动机有所不同，首先是根据给定的技术经济指标，选择合理的电枢绕组和电子换向电路的组合方式，以及与之相适应的转子位置传感器形式，然后才能合理进行电动机的磁路和电路的设计。
这里考虑了两种情况，一是气隙磁场为正弦分布；二是气隙磁场为方波形式。结合所选择的电子线路形式，按照直流电机的分析方法，推导出稀土永磁无刷直流电动机的理想空载转速，平均电磁转矩，平均电枢电流；通过磁路及电路计算求出电机的所有指标及工作特性。设计框图如图1所示。
2-3气隙磁场及转矩平稳性研究
作为伺服电机，保持转矩和低速运行时转速的平稳是很重要的。由于采用电子换向，电机绕组的供电状态是开关型的，其波形为方波或阶梯波。形成的电枢磁场呈步进磁场，负载时的气隙磁场由转子永磁体磁场和步进电枢磁场合成。由于电枢磁场的步进性，使其气隙磁场波动，进而影响电磁转矩的平稳性。所以步进磁场对无刷直流电动机转矩平稳性是至关重要的。为了提高电机控制系统的极限调速比，减小永磁电机的静态定位转矩是一个重要因素。为了减小定位转矩，除采用斜槽外，槽口应由2. 5mm减小到Imm，这样定位转矩可减百分之5左右。相对而言，增大气隙是一条主要措施，当然这要受到磁体用量与工艺诸因素的影响，应统筹考虑。
2.4隶磁体工作的可靠性
工业缝纫机工作状态实质上是使电机处于频繁起、制动。对起、制动过程，均有起、制动转矩。该转矩的大小在短时间可能达到6倍左右的额定转矩。势必产生很大的起、制动电流。这样大的电流，对永磁体产生的去磁影响必须引起注意。特别在电机运行在负载温升时，随着工作温度的升高，这种去磁作用就越大。若对永磁体的厚度选取不当，这种去磁反应还将影响到永磁体的回复线。在设计工业缝纫机用永磁电机时，永磁体的设计必须考虑二点：第一是电机****工作温度，第二是起、制动时的电枢反应去磁作用。
3 永磁无刷直流电动机的速度调节系统
3.1 永磁无刷直流电动机的速度调节系统数学模型
永磁无刷直流电动机按上述设计，其内电势为1200平顶的梯形波，若它与功率逆变电路匹配，通过适当的供电方式，可以获得转矩脉动最小的工作状态。按理论分析，以三相6拍二相通电方式工作，且取，．角为00，可获得****的平均转矩。
功率开关器件除导通瞬间过程较为复杂外，在导通后，实际上电机的状态可以用公式U= E+/d/／dt+/R描述，而在开关器件断开后，如果存在续流回路，则可以用公式E=d/／dt。电路中选用IGBT模块作功率开关器件，开关时间在1s左右，对于永磁无刷直流电动机动态过程，忽略开关动作时间，仍可用V=E+/d/／dt+/R描述其通电状态下的的动态过程，那么无刷直流电机在其模型上将近似普通直流电动机。
永磁无刷直流电动机的模型描述如下：
3.2等效时间常数的确定
在直流电机控制中，常用两个时间常数的概念，绕组时间常数丁。和机电时间常数T。
绕组时间常数可以利用通电时绕组电上升沿时间决定，其表示为
机电时间常数按电势系数Ca、转矩系数Cm及电机的转动惯量求取
3.3永磁无刷直流电机的调速系统
该系统用于工业缝纫机三自动控制系统，对系统的快速性要求颇高，且运行平稳。为了实现快速的加、减速度控制，必须通过系统的控制参数选取及结构设计消除或削弱时间常数的影响。
系统选择了带转速、电流反馈的双闭环控制系统。电流内环的设计以典型I型系统****调节器参数确定，这样基本上消除绕组时间常数的影响，并且等效电流环变成小时间常数的惯性环节，系统的带宽得到拓宽，电流也不会超调很多。只要阻尼系数选择合适，系统响应快而超调小。
由于反馈速度脉冲直接引到单片计算机803 1的计数器输入端，通过计算机对实际速度信号的测量，修正速度给定，从而进一步提高了速度控制精度。无论是电流调节器或速度调节器的输出均加限幅处理。速度控制系统框图如图2所示。
3.4位置、速度、电流信号的检测
3.4.1位置传感器
永磁元刷直流电机绕组相间的功率开关器件切换严格取决于电机转子位置的实际测量，作为永磁无刷直流电动机不可缺少的转子位置检测器，在电机速度控制系统中起到非常重要的作用。
位置反馈是通过霍尔元件无接触式传感器实现的。霍尔元件数与相数相同，空间角度安排可按1200或600电角度两种方式。转子带动遮片转动时，将会使三个霍尔元件发出三组互为相差1200电角度，占空比1:1的方波脉冲，该信号用来控制导通绕组对应的开关功率器件。
霍尔位置传感器不怕污染，无接触，具有较高的可靠性。
3·4·2速度传感器及信号转换
速度传感器采用每转发出500个脉冲信号的圆光栅编码器，这样，电机低速运行有足够的脉冲信号输出，经F/V转换，输出一个较稳定的电平信号。在速度采样阶段，由于电机转速的瞬时变化，脉冲传感器输出的脉冲信号宽度会不一样，在F/V转换时，必须将速度脉冲信号转换成等宽脉冲，采用电路如图3所示。
3·4.3电流反馈与检测
对于电流检测元件，电路中选用高精度、快速的莱姆电流传感器，它的电流响应时间1tis，测量精度百分之1，属于无接触测量。其优点是能隔离主电路与控制电路在线路上的联系，从而减少主电路对控制电路的干扰。
3.4.4脉宽调速专用芯片MC33034P120
MC33034是美国摩托罗拉公司生产的无刷直流电机调速的专用芯片，芯片内部设有转子位置译码器，电机位置传感器信号可直接接到芯片的三个输入端SA、SB.SC，通过内部译码器控制上、下桥臂输出的开通或关断。当有一个非法的信号输入时，故障输出端（14脚）动作并且使得驱动输出信号封锁，将故障信号送到计算机8031进行处理。正／反转输入端（3脚）用来改变电机定子绕组电压方向，实现电机的的换向，使得对电机换向的实现变得十分容易。
芯片采用脉宽调制控制提供一个在换向序列期间对每个定子绕组变化平均电压来控制电机转速。内部有一个振荡器，振荡频率可用RrCr进行设定，为了防止噪声和减少损耗，系统的频率一般选择在12kHz左右。
3·4.5功率模块的驱动电路
采用分立式驱动电路虽然经济实用，但要达到较好的性能不易，特别是由于IGBT内寄生晶体管寄生电容的存在，门极驱动与损坏时脉宽的关系等原因，使得驱动电路设计复杂化，因此，选择日本富士公司IGBT专用驱动电路EXB840(见图4)。该芯片内部设有快速混合型lC，****开关频率40kHz，其内部设有光电隔离电路、过流检测电路，以及低速过流自动切断功能，EXB840输出通过 一个电阻可直接接到IGBT栅极。
3·4.6功率变换部分
采用目前国内外先进的第三代电力电子器件绝缘栅极双极晶体管模块IGBT作为电机驱动模块，IGBT是一种兼有功率MOS-FET高输入阻抗、高速特性和双极达林顿晶体管大电流密度特性的开关器件。其优点是输入阻抗高，开关速度高，开关损耗低，开关速度为s级。
4 工业缝纫机三自动控制系统
高档工业缝纫机控制系统有不同的预先设置缝纫模式，所谓工业缝纫机三自动指自动返缝、自动割线和自动挑线。三自动功能是通过电磁阀通断加以控制的，同时电磁阀的吸合动作又必须与针位置同步，为了实现针位同步，设计了一个针位传感器来控制，针位传感器有三个输出信号，上针位、下针位、切线电磁阀同步信号，这三个信号送到计算机8031，实现三自动控制。
系统针位的定位控制采用了快速随动系统的开关控制方式，由于系统采用的是单极性PWM调速方式，负载有较大的惯性，同时电机和工业缝纫机之间是采用皮带传动的，非线性环节较多，采用开关控制方式可简化系统控制。
4.1 单片计算机的组成
采用MCS一51系列单片计算机8031作为核心部分，74Ls373、ERROM6264组成最小微机系统，通过扩展二片74Ls244作为输入输出接口，选甩DAC0832进行D/A转换。
针数和模式设定（16种缝纫模式）由一个专用另外放置的模式盒进行数据输入，按键或拨码开关的数据由模式盒内的移位寄存器74Ls164变成并行数据送到计算机处理。
4.2 系统控制软件框图
主程序框图如图5所示，模式子程序框图如图6所示。
该软件的设计有如下特点：
(1)模块化进行软件设计，有上电自诊断功能。
(2)软件对信号量采用数字滤波技术。
(3)软件设置“陷井”，以提高系统抗干扰能力，保证系统的可靠性。
5结语
永磁无刷直流工缝电动机及其三自动控制系统的样机已通过了安徽省科委组织的省级鉴定。SF-13- 550稀土永磁无刷直流电机及三自动控制系统完成了工业缝纫机的第三代改造。解决了稀土永磁无刷直流电机设计和应用中的关键难点，位置传感、驱动逻辑转换、功率器件保护以及减小静态定位转矩等多项技术，完成了工业缝纫机微机三自动（自动返缝、自动割线、自动挑线）控制，提高了稀土永磁无刷直流电机应用水平。它的研制成功对高档三自动工业缝纫机系统的国产化带来了生机，增强了进军国际市场的实力。
周贤韬： 男，1965年出生，工程师，主要从事永磁电机及其控制系统的研究。
|
